RU2710098C1 - Method for remote determination of vibration amplitude - Google Patents

Method for remote determination of vibration amplitude Download PDF

Info

Publication number
RU2710098C1
RU2710098C1 RU2019104938A RU2019104938A RU2710098C1 RU 2710098 C1 RU2710098 C1 RU 2710098C1 RU 2019104938 A RU2019104938 A RU 2019104938A RU 2019104938 A RU2019104938 A RU 2019104938A RU 2710098 C1 RU2710098 C1 RU 2710098C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
amplitude
harmonics
vibration
amplitudes
measured
Prior art date
Application number
RU2019104938A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Запевалов
Вячеслав Михайлович Бурдюгов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН ФИЦ МГИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН ФИЦ МГИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН ФИЦ МГИ)
Priority to RU2019104938A priority Critical patent/RU2710098C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2710098C1 publication Critical patent/RU2710098C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: use to determine vibration amplitude. Summary of invention consists in the fact that surface is irradiated with a coherent radiation source, a reflected signal is received, vibration frequency is measured, in a given set of harmonics of the reflected signal, harmonic amplitudes are measured starting from the first, based on the obtained amplitude values, selecting a pair of harmonics and calculating for it the ratio of amplitudes, using which the amplitude of vibration is calculated, wherein amplitude of harmonics is measured in such a set of harmonics of the reflected signal, in which monotonic amplitude decay is established, determining the order of the k-th harmonic, having the largest amplitude Ak, amplitude Ak+2 is selected of the order k+2 order and calculating the ratio Ak+2/Ak, using which vibration amplitude is calculated.
EFFECT: wider range of measured amplitudes of vibration.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. The invention relates to the field of instrumentation.

В настоящее время интенсивно развиваются методы определения амплитуды вибрации, основанные на дистанционном зондировании вибрирующей поверхности в оптическом и СВЧ диапазонах. В их основе лежит зависимость соотношения амплитуд гармоник доплеровского спектра отраженного сигнала от амплитуды вибрации.Currently, methods for determining the amplitude of vibration, based on remote sensing of a vibrating surface in the optical and microwave ranges, are being intensively developed. They are based on the dependence of the ratio of the amplitudes of the harmonics of the Doppler spectrum of the reflected signal on the amplitude of the vibration.

Известен способ определения амплитуды вибрации путем дистанционного зондирования в СВЧ диапазоне электромагнитных волн [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С.270-278]. Особенность этого, аналога заключается в том, то для определения амплитуды вибрации используется отношение первой и второй гармоник отраженного сигнала. Этим объясняется недостаток аналога: он может быть использован только при определенных условиях: когда среднее расстояние L между локатором и облучаемой поверхностью известно, или расстояние L меняется в течение сеанса измерений таким образом, что значения ϕ фазового сдвига равномерно распределены на интервале (0, 2π). В противном случае точность измерения амплитуды вибрации будет низкой.A known method of determining the amplitude of vibration by remote sensing in the microwave range of electromagnetic waves [Pinchuk AN Remote determination of the amplitude of the vibration of the hull // Science and Education. 2014. No.6. S.270-278]. The peculiarity of this analogue is that the ratio of the first and second harmonics of the reflected signal is used to determine the amplitude of vibration. This explains the disadvantage of the analogue: it can be used only under certain conditions: when the average distance L between the locator and the irradiated surface is known, or the distance L changes during the measurement session so that the phase shift ϕ values are uniformly distributed over the interval (0, 2π) . Otherwise, the accuracy of measuring the amplitude of vibration will be low.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ определения амплитуды вибрации [Запевалов А.С., Пинчук А.Н, Способ дистанционного определения амплитуды вибрации // Патент РФ №2642517. Приоритет 05.04.2016, опубликовано 25.01.2018, Бюл. №3].Closest to the invention by the totality of the features, and therefore selected as a prototype, is a method for determining the amplitude of vibration [Zapevalov A.S., Pinchuk A.N., Method for remote determination of the amplitude of vibration // RF Patent No. 2642517. Priority 04/05/2016, published 01/25/2018, Bull. No. 3].

Такие признаки прототипа, как облучение вибрирующего объекта когерентным источником излучения, регистрация отраженного сигнала, измерение частоты вибрации, измерение амплитуд гармоник отраженного сигнала в заданной совокупности гармоник, начиная с первой, отбор по полученным значениям амплитуд пары гармоник, вычисление для этой пары отношения амплитуд и использование этого Отношения для расчета амплитуды вибрации, совпадают с существенными признаками заявленного технического решения.Such features of the prototype as irradiating a vibrating object with a coherent radiation source, registering the reflected signal, measuring the vibration frequency, measuring the harmonics of the reflected signal in a given set of harmonics, starting from the first, selecting the pair of harmonics from the obtained values of the amplitudes, calculating the amplitude ratio for this pair and using of this Relationship for calculating the amplitude of vibration, coincide with the essential features of the claimed technical solution.

Новыми по отношению к прототипу являются следующие существенные признаки заявленного изобретения: измеряют амплитуды гармоник в такой совокупности гармоник отраженного сигнала, в которой установился монотонный спад амплитуд, определяют, порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду Аk, выбирают амплитуду Аk+2 гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение Ak+2/Ak, с использованием которого вычисляют амплитуду вибрации.The following essential features of the claimed invention are new with respect to the prototype: they measure the harmonics amplitudes in such a set of harmonics of the reflected signal, in which a monotonic decrease in amplitudes is established, determine the order of the k-th harmonic having the maximum amplitude A k , select the amplitude A k + 2 harmonics of order k + 2 and the ratio A k + 2 / A k is calculated, with which the vibration amplitude is calculated.

Из указанных отличительных существенных признаков, характеризующих заявленное изобретение, в уровне техники не известны такие приемы: в процессе измерений используют такую заданную исследуемую совокупность последовательных гармоник отраженного сигнала, которая включает не только первые четыре гармоники, но и более старшие (более высоких порядков), при этом совокупность гармоник такова, что в ней выявлен стабильно установившийся монотонный спад значений измеренных амплитуд гармоник.Of the indicated distinctive essential features characterizing the claimed invention, the following techniques are not known in the prior art: during the measurement process, use is given of a given test set of consecutive harmonics of the reflected signal, which includes not only the first four harmonics, but also the older ones (higher orders), when In this case, the set of harmonics is such that a stable monotonic decrease in the values of the measured harmonics amplitudes is revealed in it.

Физическая основа дистанционного определения амплитуды вибрации заключается в следующем. Пусть при вибрации смещения поверхности происходят по гармоническому законуThe physical basis of remote determination of the amplitude of vibration is as follows. Suppose that during vibration, surface displacements occur according to a harmonic law

Figure 00000001
Figure 00000001

где t - время;where t is time;

ξ0 - амплитуда вибрации;ξ 0 is the vibration amplitude;

Ω - частота вибрации.Ω is the vibration frequency.

После фазового детектирования отраженный сигнал имеет следующий вид [Пинчук А.Н. Дистанционное определение амплитуды вибрации корпуса судна // Наука и образование. 2014. №6. С. 270-278. DOI: 10.7463/0614.0715325]:After phase detection, the reflected signal has the following form [Pinchuk A.N. Remote determination of the amplitude of the vibration of the hull // Science and Education. 2014. No.6. S. 270-278. DOI: 10.7463 / 0614.0715325]:

Figure 00000002
Figure 00000002

где А - амплитуда сигнала;where A is the signal amplitude;

Figure 00000003
- функции Бесселя первого рода порядка n;
Figure 00000003
- Bessel functions of the first kind of order n;

m - индекс фазовой модуляции;m is the phase modulation index;

ϕ - фазовый сдвиг при отражении от неподвижной поверхности.ϕ is the phase shift upon reflection from a fixed surface.

Индекс m фазовой модуляции равенThe phase modulation index m is

Figure 00000004
Figure 00000004

где λ - длина зондирующей волны.where λ is the probe wavelength.

Из выражений (2) и (3) следует, что амплитуды гармоник сигнала S(t) являются функциями трех параметров: А, ϕ и m. Параметр А зависит от технических характеристик источника и приемника излучения, а также условий проведения измерений, его определение требует проведение дополнительных исследований. Величина параметра ϕ=ϕ0-4π L/λ зависит от изменения фазы сигнала при отражении ϕ0 и от расстояния до вибрирующей поверхности L. В полевых условиях расстояние L, как правило, с точностью лучше длины λ не известно. Чтобы исключить неизвестные величины А и ϕ, при расчетах m в работе используются не абсолютные значения амплитуд гармоник, а отношение амплитуд четных (четвертой и второй) А4/А2 гармоник или отношение амплитуд нечетных А3/А1 (третьей и первой) гармоник. Поскольку A4/A2=J4(m)/J2(m) и A3/Al=J3(m)/Jl(m), то отношения определяются только одним параметром, а именно, индексом фазовой модуляции m.From the expressions (2) and (3) it follows that the amplitudes of the harmonics of the signal S (t) are functions of three parameters: A, ϕ and m. Parameter A depends on the technical characteristics of the radiation source and receiver, as well as the measurement conditions, its determination requires additional research. The value of the parameter ϕ = ϕ 0 -4π L / λ depends on the change in the phase of the signal during reflection ϕ 0 and on the distance to the vibrating surface L. Under field conditions, the distance L, as a rule, is not known to be better than the length λ. To exclude unknown values of A and ϕ, in the calculations of m, the work uses not the absolute values of the harmonics amplitudes, but the ratio of the amplitudes of even (fourth and second) A 4 / A 2 harmonics or the ratio of amplitudes of odd A 3 / A 1 (third and first) harmonics . Since A 4 / A 2 = J 4 (m) / J 2 (m) and A 3 / A l = J 3 (m) / J l (m), the relations are determined by only one parameter, namely, the phase modulation index m.

Недостатком прототипа является ограниченный диапазон измерения амплитуд вибрации. Обусловлено это тем, что разным значениям индекса фазовой модуляции m могут соответствовать одни и те же значения отношений амплитуд гармоник. Неоднозначность является следствием того, что входящие в выражение (2) функции Бесселя первого рода являются знакопеременными. Указанные свойства функций Jn(m) иллюстрирует фиг. 1а), где номер кривой совпадает с порядком функции Бесселя. На фиг. 1б) приведены отношения амплитуд четных (штриховая линия), и нечетных (сплошная линия) гармоник.The disadvantage of the prototype is the limited measurement range of the amplitudes of vibration. This is due to the fact that the same values of the ratio of the amplitudes of the harmonics can correspond to different values of the phase modulation index m. The ambiguity is a consequence of the fact that the Bessel functions of the first kind included in expression (2) are alternating. The indicated properties of the functions J n (m) are illustrated in FIG. 1a), where the curve number coincides with the order of the Bessel function. In FIG. 1b) the ratios of the amplitudes of even (dashed line) and odd (solid line) harmonics are given.

Таким образом, прототип позволяет определять амплитуду вибрации, только когда мы априори знаем, что амплитуда не превышает критических значений, соответствующих первым максимумам отношений амплитуд нечетных m1 и четных m2 гармоник (фиг. 1б),Thus, the prototype allows you to determine the amplitude of the vibration only when we know a priori that the amplitude does not exceed critical values corresponding to the first maxima of the ratios of the amplitudes of odd m 1 and even m 2 harmonics (Fig. 1b),

Figure 00000005
Figure 00000005

где i=1,2.where i = 1,2.

В частности, условие (4) выполняется, например, при определении амплитуды вибрации корпуса судна, если зондирование осуществляется в сантиметровом диапазоне длин радиоволн.In particular, condition (4) is fulfilled, for example, when determining the amplitude of vibration of the hull, if sounding is carried out in the centimeter range of radio wavelengths.

В основу изобретения поставлено решение вышеуказанное технической проблемы путем создания способа дистанционного определения амплитуды вибрации, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается достижение технического результата - расширение диапазона измеряемых амплитуд вибрации.The basis of the invention is the solution of the above technical problem by creating a method for remote determination of the amplitude of vibration, the combination of the essential features of which ensures the achievement of a technical result - expanding the range of measured vibration amplitudes.

Физической основой решения данной проблемы является следующее. С ростом индекса фазовой модуляции m, который, согласно (3), определяется отношением амплитуды вибрации и длины зондирующей вибрирующую поверхность волны, появляются гармоники все более высоких порядков. Изменения амплитуд гармоник с ростом индекса фазовой модуляции m показаны на фиг. 2, где белыми кружками обозначены нечетные гармоники, черными - четные. С ростом m максимальные значения амплитуд гармоник смещаются в область больших значений частоты. После достижения максимума происходит монотонный спад амплитуд. Для удобства сравнения графиков, построенных при разных значениях m, значения амплитуд нормировались на максимальное значение амплитуды гармоник Amax при заданной величине m. Графики, представленные на фиг. 2, получены для случая, когда

Figure 00000006
The physical basis for solving this problem is as follows. With an increase in the phase modulation index m, which, according to (3), is determined by the ratio of the amplitude of the vibration and the length of the wave probing the vibrating surface, harmonics of ever higher orders appear. Changes in the harmonics amplitudes with increasing phase modulation index m are shown in FIG. 2, where the white circles denote the odd harmonics, the black ones - even. With increasing m, the maximum values of the harmonics amplitudes shift to the region of large frequency values. After reaching a maximum, a monotonic decrease in amplitudes occurs. For the convenience of comparing the graphs plotted for different values of m, the amplitudes were normalized to the maximum value of the harmonic amplitudes A max for a given value of m. The graphs shown in FIG. 2 are obtained for the case when
Figure 00000006

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Для реализации предложенного! способа может быть использован когерентный источник радио или оптического монохроматического излучения. С помощью одного из указанных устройств облучают исследуемую поверхность. Принимают отраженный сигнал и осуществляют его фазовое детектирование, после чего измеряют частоту вибрации.To implement the proposed ! of the method, a coherent source of radio or optical monochromatic radiation can be used. Using one of these devices irradiate the test surface. The reflected signal is received and its phase detection is carried out, after which the vibration frequency is measured.

Затем измеряют амплитуды первых четырех гармоник отраженного сигнала, как в прототипе, и далее последовательно - амплитуды гармоник более высоких порядков. Эти измерения продолжают до тех пор, пока исследуемая совокупность гармоник отраженного сигнала не признается достаточной - признаком того, что проанализировано достаточное число гармоник, является установление монотонного спада амплитуд нечетных и четных гармоник, как это показано на фиг. 2.Then measure the amplitudes of the first four harmonics of the reflected signal, as in the prototype, and then sequentially - the amplitudes of harmonics of higher orders. These measurements are continued until the studied set of harmonics of the reflected signal is recognized as sufficient — a sign that a sufficient number of harmonics have been analyzed is the establishment of a monotonic decay of the amplitudes of the odd and even harmonics, as shown in FIG. 2.

По результатам измерений амплитуд определяют порядок k-ой гармоники, имеющей максимальную амплитуду Аk, выбирают амплитуду Аk+2 гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение Аk+2/Аk.According to the results of the measurements of the amplitudes, the order of the k-th harmonic having the maximum amplitude A k is determined, the amplitude A k + 2 of the harmonic of order k + 2 is selected, and the ratio A k + 2 / A k is calculated.

Далее, решая уравнениеNext, solving the equation

Figure 00000007
Figure 00000007

находят наименьший корень m0, по которому рассчитывают амплитуду вибрации ξ0 по выражениюfind the smallest root m 0 , from which the vibration amplitude ξ 0 is calculated by the expression

Figure 00000008
Figure 00000008

Изобретение создано в рамках государственного задания по теме №0827-2018-0003 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».The invention was created as part of a state assignment on the topic No. 0827-2018-0003 "Fundamental research of oceanological processes that determine the state and evolution of the marine environment under the influence of natural and anthropogenic factors, based on observation and modeling methods."

Claims (1)

Способ дистанционного определения амплитуды вибрации, заключающийся в том, что поверхность облучают когерентным источником излучения, принимают отраженный сигнал, измеряют частоту вибрации, в заданной совокупности гармоник отраженного сигнала измеряют амплитуды гармоник, начиная с первой, по полученным значениям амплитуд выбирают пару гармоник и вычисляют для нее отношение амплитуд, с использованием которого вычисляют амплитуду вибрации, отличающийся тем, что измеряют амплитуды гармоник в такой совокупности гармоник отраженного сигнала, в которой установился монотонный спад амплитуд, определяют порядок k-й гармоники, имеющей наибольшую амплитуду Аk, выбирают амплитуду Аk+2 гармоники порядка k+2 и вычисляют отношение Аk+2/Аk, с использованием которого вычисляют амплитуду вибрации.A method for remote determination of the vibration amplitude, namely, that the surface is irradiated with a coherent radiation source, a reflected signal is received, a vibration frequency is measured, harmonic amplitudes are measured in a given set of harmonics of the reflected signal, starting from the first, a pair of harmonics is selected from the obtained amplitudes and calculated for it the ratio of amplitudes, with which the vibration amplitude is calculated, characterized in that the harmonics are measured in such a set of harmonics of the reflected s of the wave in which a monotonic decrease in the amplitudes is established, the order of the k-th harmonic with the largest amplitude А k is determined, the amplitude А k + 2 of the harmonic of order k + 2 is selected, and the ratio А k + 2 / А k is calculated, using which the vibration amplitude is calculated .
RU2019104938A 2019-02-21 2019-02-21 Method for remote determination of vibration amplitude RU2710098C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019104938A RU2710098C1 (en) 2019-02-21 2019-02-21 Method for remote determination of vibration amplitude

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019104938A RU2710098C1 (en) 2019-02-21 2019-02-21 Method for remote determination of vibration amplitude

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710098C1 true RU2710098C1 (en) 2019-12-24

Family

ID=69022721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019104938A RU2710098C1 (en) 2019-02-21 2019-02-21 Method for remote determination of vibration amplitude

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710098C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2300085C1 (en) * 2005-11-09 2007-05-27 ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Mode of definition of the amplitude of vibration on two harmonies of the spectrum of an autodyne signal
US20080300805A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Changzhi Li Non-Contact Measurement System for Accurate Measurement of Frequency and Amplitude of Mechanical Vibration
RU2520945C1 (en) * 2013-02-01 2014-06-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Method of determining amplitude of nanovibrations from spectrum of frequency-modulated semiconductor laser autodyne
US9200945B2 (en) * 2011-12-01 2015-12-01 University Of Florida Research Foundation, Inc. Wavelength division sensing RF vibrometer for accurate measurement of complex vibrations
RU2642517C2 (en) * 2016-04-05 2018-01-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Method for remotely determining vibration amplitude

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2300085C1 (en) * 2005-11-09 2007-05-27 ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Mode of definition of the amplitude of vibration on two harmonies of the spectrum of an autodyne signal
US20080300805A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Changzhi Li Non-Contact Measurement System for Accurate Measurement of Frequency and Amplitude of Mechanical Vibration
US9200945B2 (en) * 2011-12-01 2015-12-01 University Of Florida Research Foundation, Inc. Wavelength division sensing RF vibrometer for accurate measurement of complex vibrations
RU2520945C1 (en) * 2013-02-01 2014-06-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Method of determining amplitude of nanovibrations from spectrum of frequency-modulated semiconductor laser autodyne
RU2642517C2 (en) * 2016-04-05 2018-01-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Method for remotely determining vibration amplitude

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106772414B (en) A method of improving TOF ranging phase method radar ranging accuracy
US20130204555A1 (en) Method and Apparatus for Electrically Locating a Fault in a Cable
US7098645B1 (en) Method and device for cable length measurement based on reflected phase shifts
MX2014004417A (en) Distance measurement using incoherent optical reflectometry.
RU2624798C1 (en) Method of determination of location of sensing object in sea
Greening et al. Comparison of shear wave velocity measurements in different materials using time and frequency domain techniques
RU2571301C2 (en) Method to measure physical parameters of material
RU2710098C1 (en) Method for remote determination of vibration amplitude
CN111157115A (en) Underwater Brillouin scattering spectrum acquisition method and device
RU2642517C2 (en) Method for remotely determining vibration amplitude
RU2431155C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves
RU2434242C1 (en) Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
RU2423723C1 (en) Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
RU2521729C1 (en) Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir
RU2594338C1 (en) Method of determining percentage content of water in dielectric-water mixture at changing water content in mixture in a wide range
US11754465B2 (en) Optical pulse testing device and optical pulse testing method
JP2015143619A (en) Distance measuring apparatus
CN108195443A (en) Water level measurement method, system and equipment
RU2658558C1 (en) Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar
RU2655746C1 (en) Method of level measurement and radio range station with frequency modulation
RU2491519C1 (en) Level indicator
RU2668342C2 (en) Method of measuring a frequency shift between radiosignals
RU2350901C1 (en) Method for detection of dielectric coat thickness
RU2227320C2 (en) Method for measuring quality characteristics of oil products
RU2569039C2 (en) Method for non-destructive inspection of defects using surface acoustic waves